范文一:机电系毕业设计
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设计任务书
设计题目: 设计题目: 加工中心铣削编程与设计 设计要求: 设计要求:
1、设计安全要求 由教师和实验室指导教师组织学生进行毕业设计动员和安全教育。要求学 生在毕业设计时要做到以下几点: (1)进行编程操作前,应熟悉加工中心的操作说明书,并严格按照操作规 程操作。 (2)检查加工中心各部分机构是否完好,各按钮是否能自动复位。 (3)车间工具都应放在固定位置,不可随意乱放,爱护工具、经常保持量 具的清洁,用后擦净,涂油后放入盒中;工作位置周围应经常保持整洁清洁。 (4)数控加工时精力应高度集中,出现问题时应立即切断电源,并向指导 教师报告。 (5)操作过程中出现铣床故障时,应及时向指导教师反映。 2、设计质量要求 (1)毕业设计过程中要认真学数控毕业设计指导书,并按照内容要求进行 毕业设计,保证毕业设计进度,按时保质完成毕业设计。 (2)毕业设计过程中要勤思考、勤问、勤做、勤总结,不断积累编程经验 技巧,提高对数控加工工艺分析和编程能力。 (3)按要求撰写毕业设计说明书。 (4)按要求的精度加工出给定零件 3、零件图及技术要求 加工零件如图所示, 料为 45#钢, 毛坯尺寸: X 宽 X 高为 50mmX50mmX50mm。 长
I
设计进度要求: 设计进度要求:
第一周:毕业调查实习,与指导老师交流设计事宜; 第二周:查阅文献、收集资料; 第三周:确定系统的设计方案,撰写开题报告; 第四周:总体设计、结构设计、详细计算、编程与调试等内容; 第五周:编写毕业设计; 第六周:毕业答辩。
指导教师(签名) : 指导教师(签名)
II
摘
要
大家都知道,数控加工是目前的一门新的专业,热门专业,正在高速发展, 数控加工程序是有多道复杂的程序组成的,这就为我们学习带来不便,为了使 学习更方便,使用更加有条理,我编写了这份典型加工中心铣削编程与操作设 计,希望为大家的工作、学习带来方便。 我的这份毕业设计包括设计任务书、摘要、前言、设计说明书等多个部分。 设计的主要是内容是对我们机械类加工日常加工中常见的工件取其中的一典型 零件进行系统的编程与操作设计,从数控加工前应做的准备开始到数控加工工 艺分析、数控刀具及其选择、工件装夹方式与数控加工夹具的选择、程序编制 中的数值计算、数控加工程序的编制、数控车削加工、NC 加工、数控加工中心 编程及自动编程技术等内容等数控加工时应注意的问题做了一一的说明。其中 数控机床我们现在用的是西门子系统的,包括编程语言到是西门子系统的。由 于水平有限,自己对设计的完成还不是很完善,有不足之处,希望老师斧正。
关键词: 关键词:MS 软体、编程、加工、刀具、参数、成品等。
III
目
绪
录
论?? 1
第 1 章 开题报告?? 2 1.1 数控技术毕业设计必须遵循的一般原则 ?? 2 1.2 毕业设计的步骤 ?? 2 1.3 毕业设计的基本内容 ?? 3 第 2 章 设计说明书?? 4 2.1 绪论 ?? 4 2.2 工艺分析与选择 ?? 5 2.3 主要加工程序 ?? 8 第 3 章 具体操作步
骤?? 20 3.1 先开机床 ?? 20 3.2 回参考点 ?? 20 3.3 参数设定 ?? 20 3.4 装夹工件 ?? 20 3.5 对刀 ?? 20 3.6 输入程序 ?? 21 3.7 模拟仿真 ?? 21 3.8 实际加工 ?? 21 设 计 小 结?? 22 致 谢?? 23
参考文献?? 24
IV
绪
论
毕业设计是我们大学学习生活的很重要的一部分,是我们在校学习的最后 的一个环节,是评价我们是否是一个合格大学生的一个很重要标准,因此在做 毕业设计时,我都是怀着很重视的态度去做的。 在刚接到要做毕业设计的任务,我一下子感到无从下手,有点迷茫,由于 从没有做过这样的设计,经过几天的查找资料,我发现数控加工是机械行业一 门新的专业,数控技术是数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。它广泛 用于机械制造和自动化领域,较好地解决多品种、小批量和复杂零件加工以及 生产过程自动化问题。随着计算机、自动控制技术的飞速发展,数控技术已广 泛地应用于数控机床、机器人以及各类机电一体化设备上。同时,社会经济的 飞速发展, 对数控装置和数控机械要求在理论和应用方面有迅速的发展和提高。 随着改革开放深入发展,全国特别是国有大中型企业及三资企业,在生产中都 广泛地应用了数控加工技术和计算机辅助加工技术。由于市场竞争日益激烈, 从而导致对专业人才的大量需求。 随着民营经济的飞速发展,我国沿海经济发达地区(如广东,浙江、江苏、 山东),数控人才更是供不应求, 所以我觉得数控行业有着十分广阔的前景, 所以就有试着做这方面设计的念头,又因为我们在校时也开了这方面的课程, 我对数控的编程又有一定的了解,就选择典型加工中心铣削编程与操作设计这 个课题。 要成为数控编程员就要具备:掌握数控加工工艺知识和数控机床的操作, 掌握机械的设计和制造专业知识,熟练掌握三维 CAD,CAM 软件,如 uc、ProE 等;熟练掌握数控手工和自动编程等技术;这样的高的要求就更能考察我们的 综合知识掌握的怎么样,所以我愿意接受这个任务,来自我检验一下自己是否 合格一个的大学生。 经过两个多月的准备,我的毕业设计终于告以段落,两个多月的忙碌对我 来说有着丰富的收获,我学到了很多,我学会了如何与同学、老师的沟通,学 会了与同学配合完成任务,学会了如何利用图书、网络搜集信息等等。
1
第 1 章 开题报告
数控技术毕业设计应包括数控加工工艺分析、数控刀具及其选择、工件装 夹方式与数控加工夹具的选择、程序编制中的数值计算、数控加工程序的编制、 数控车削加工、NC 加工、数控加工中心编程及自动编程技术等内容。若条件允 许,还可以加上数控机床的安装、调试与验收等内容。
1.1 数控技术毕业设计必须遵循的一般原则
(1)结合本校数控基地的情况,合理安排合计内容。也可以采用与校外企 业合作的方式设计课题。 (2)必须保障人身安全和设备安全,在编程操作前应熟悉数控机床的操作 说明书,并按照操作规程操作。 (3)兼顾加工精度和加工效率,在保证加工精度的前提下,认真进行工艺 分析,制定出合理的工艺方案,选择合理的切削用量。 (4) 注意培养独立获取知识、 新技术、 新信息的能力, 掌握科学研究的 方 法
1(2 毕业设计的步骤
必须利用设计前一到二周的时间研究设计计划和任务书,了解产品的工艺 性和公差等级,在初步明确设计要求的基础上,可以步骤进行设计方案的论证。 (1)分析零件图样 根据任务书,画出零件图,并对工件的形状、尺寸、精度等级、表面粗糙 度、刀具及等技术进行分析。 (2)确定加工工艺方案 根据上述的的分析,选择加工方案,确定加工顺序,加工路线、
装夹方式、 切削用量材料等,要求有详细的设计过程和合理的参数 (3)数值计算
2
根据零件图的尺寸,确定工艺路线及设计的坐标系,计算运动轨迹,得到 刀位数据 (4)编写零件加工程序 根据数控系统的功能指令及程序格式,逐步编写加工程序单,写出有关的 工艺文件如工序卡、数控刀具卡、刀具明细表、加工工序单等。 (5)仿真加工 校验程序,程序编完后,利用 GRAPS 主功能,输入毛坯尺寸,对 零件进行 仿真加工,并判断程序是否正确。
1.3 毕业设计的基本内容
1.3.1 数控加工工艺设计 (1)零件图的工艺性分析 (2)加工方法的选择 (3)工序的划分 (4)加工路线的安排 (5)走刀路线及工步顺序 (6)加工刀具的选择 1.3.2 加工程序的编制 (1)加工工艺分析 (2)数值计算 (3)程序校验与首件试切
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第 2 章 设计说明书
2.1 绪论
1.数控编程的定义 数控加工就是将加工数据和工艺参数输入到机床,机床的控制系统对输入 信息进行运算与控制,并不断地向直接指挥机床运动的电动机功能部件——机 床的伺服机构发送脉冲信号,伺服机构对脉冲信号进行交换和放大处理,然后 由传动机构驱动数控机床,从而加工零件,所以数控加工的关键是加工数据和 工艺参数的获取,即数控编程。 2.数控编程及其发展 数控机床和普通机床不同,整个加工过程中不需要人的操作,而由程序来 进行控制。在机床上加工零件时,首先要分析零件图样的要求、确定合理的加 工路线及工艺参数、计算刀具中心运动轨迹及其位置数据;然后把全部工艺过 程以及其他辅助功能(主轴的正转与反转、切削液的开与关、变速、换刀等) 按运动顺序,用规定的指令代码及程序格式编制成数控加工程序,经过调试后 记录在控制介质上;最后输入到书空机床的数控装置中,以此控制数控机床完 成工件的全部加工过程。因此,把从零件图样开始到获得正确的程序载体为止 的全过程称为零件加工程序的编制。 数控编程一般分为手工编程和自动编程两种。 (1)手工编程。手工编程是指程序编制的整个过程步骤几乎全部是由人工 来完成的。对于几何形状不太复杂的零件,所需要的加工程序不长,计算也比 较简单,出错的机会较少,这时用手工编程即及时又经济,因而手工编程仍被 广泛地应用于形状简单的点位加工及平面轮廓加工中。但是工件复杂,特别是 加工非圆弧曲线、曲面等表面,或工件加工程序比较长的,使用手工编程将十 分烦琐、费时,而且容易出现错误,常会出现手工编程工作跟不上数控机床加 工的情况。影响数控机床的开动率。此时必须用自动编程的方法编制程序。 (2)自动编程。自动编程有两种:APT 软件编程和 CAM 软件编程。APT 软 件是利用计算机和相应的处理程序后置处理程序进行处理,以得到加工程序的
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编程方法。 在具体的编程过程中, 除拟定工艺方案仍主要依靠人工方案外, (有 些自动编程系统能自动确定 最佳的加工工艺参数), 其余的工作, 包括数值
计算、编写程序单、制作控制介质、程序检验等各项工作均由计算机自动完成。 编写人员只需根据图样的要求,使用数控语言编写出零件加工的源程序,送入 计算机,由计算机自动地进行数值计算、后置处理,编写出零件加工程序单, 宾噶在屏幕模拟显示加工过程,及时修改,直至自动穿出数据加工纸带,或将 加工程序通过直接通信的方式送入数控机床,指挥机床工作。 CAM 软件是将加工零件以图形形式输入计算机,由计算机自动进行数值计 算前置处理,在屏幕上形成加工轨迹,及时修改,再通过后置处理形式加工程 序输入数控机床进行加工。自动编程的出现使得一些计算烦琐、手工编写横困 难的。或手工无法编出的程序都能实现。 本设计根据零件的具体加工位置和零件的工艺特点,可以选择手工编程、 也可
以利用计算机进行自动编程的方式。
2.2 工艺分析与选择
2.2.1 零件图工艺分析 该零件图主要由平面、曲面及外轮廓组成,先粗滔后精加工。 在本设计中,平面与外轮廓用直径为 6 的钨钢刀粗铣——精铣方案。选择 以上方法完全可以保证尺寸、形状精度和表面粗糙度要求。 2.2.2 确定装夹方案 由于夹具确定了零件在数控机床坐标系中的位置,因而根据要求夹具能保 证零件在机床坐标系的正确坐标方向,同时协调零件与机床坐标系的尺寸根据 零件的结构特点,加工上表面,用油压虎钳或倍力虎钳如图 2-5 示,选择上述 装夹方式结构相对简单,能保证加工要求,便于实施。
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图- 工面 2 -加 底 夹为虎 具台钳
6
2.2.3 确定加工顺序 加工顺序的选择直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工成本。按照基 面先行、先粗后精的原则确定加工顺序,,6的钨钢刀粗逃之后用,3的钨钢刀余料 粗加工再用球刀加工到位。 2.2.4 刀具选择 刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一,它不仅影响机床的加工效 率,而且直接影响加工质量。编程时,选择刀具通常要考虑机床的加工能力、 工序内容、工件材料等因素。 与传统的加工方法相比,数控加工对刀具的要求更高,不仅要求精度高、 刚度高、耐用度高,而且要求尺寸稳定、安装调整方便。这就要求采用新型优 质材料制造数控加工刀具,并优选刀具参数。 选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应。生 产中,平面零件周边轮廓的加工,常采用立铣刀,铣削平面时应选硬质合金刀 片铣刀;加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀,对一些主体型面和斜角轮廓形 的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、鼓形刀、锥形刀和盘形刀。曲面加工常 采用球头铣刀,但加工曲面较低平坦部位时,刀具以球头顶端刃切削,切削条 件较差,因而采用环形铣刀。 表 2-1 本设计中刀具的选择: 序号 1 刀具编 号 T01 刀具规格名称 ,6mm 硬质合金端面 铣刀 ,2R1 硬质合金球刀 数 量 1 刀尖半径 /mm 备注 粗逃加 工 1 精加工 侧壁
2
T02
1
3
T03
,2R1 硬质合金球刀
1
1
精加工 曲面
7
4
T04
,2R1 硬质合金球刀
1
1
刻名字
5
T05
,3 硬质合金端面铣 刀
1
0.2
清角加 工
2.3 主要加工程序
2.3.1 确定编程原点 铣床上编程坐标原点的位置是任意的,他是编程人员在编制程序时
根据零 件的特点来选定的,为了变成方便,一般要根据工件形状和标注尺寸的基准以 及计
算最方便的原则来确定的工件上某一点为坐标原点,具体选择注意如下几 点: (1)编程坐标
原点应选在零件图的尺寸基准上,这样便于坐标值的计算,并 减少计算错误。 (2)编程坐标
原点应尽量选在精度较高的精度表面, 以提高被加工零件的加 工精度。 (3)对称的零件,
编程坐标原点应设在对称中心上;不对称的零件,编程坐 标原点应设在外轮廓的某一角上。
(4)Z 轴方向的零点一般设在工件表面。 本设计选择工件中心上表面工件编程 X、Y 轴原点
坐标,Z 轴原点坐标在工 件上表面。 零件外形及尺寸
8
9
具体编程如下: 曲面的加工(,2R1):
;_N_dengkuanjiagong004_MPF ;MSG(Machining Strategist v6.0.204 ) ;MSG(201011傞8傜 鳾偲 01:51:14 ) ;MSG(C:\Documents and Settings\foxconn\騹癔\穝滣騟
(3)\dengkuanjiagong004.mpf ) ;MSG(C:\Documents and Settings\foxconn\\絤策瓜郎
9.igs ) ;MSG(foxconn ) FFWON G64
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SOFT T1D1 G55G90G01Z150.0F4000 X0.0Y0.0 M08 F10000 ;MSG(僉,单怡鳶ㄣ妘畖 13
[2x1, 0] ) ;MSG( ) ;MSG(Cutter: 2.000x1.000 ) ;MSG(Note: Cutter tip output ) ;T1M06 G01Z100.000 G01X-1.978Y4.050 S13500M03 M08 Z7.190 F2000 Z6.190 X-1.992Z6.191 X-2.030Z6.193 X-2.181Z6.190 X-2.370Z6.174 X-2.556Z6.143 X-2.724Z6.102 F6000 X-2.980Z6.075 X-3.234Z6.113 X-3.471Z6.216 X-3.673Z6.375
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X-3.828Z6.581 X-3.925Z6.819 X-3.958Z7.074 F10000 Z8.074 X-4.622Y4.100 Z6.869 F2000 X-4.591Z6.622 X-4.500Z6.390 X-4.354Z6.188 X-4.163Z6.028 X-3.938Z5.920 X-3.694Z5.872 X-3.445Z5.885 X-3.207Z5.959 X-3.101Z6.008 X-2.962Z6.066 X-2.818Z6.117 X-2.672Z6.160 X-2.524Z6.194 X-2.374Z6.219 X-2.222Z6.233 X-2.071Z6.238 X-1.920Z6.236 X-1.769Z6.225 X-1.544Z6.199 X-1.341Z6.161 X-1.328Z6.158
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F6000 X-1.073Z6.133 X-0.821Z6.174 X-0.587Z6.278 X-0.387Z6.437 X-0.234Z6.642 X-0.139Z6.879 X-0.106Z7.133 F10000 Z8.508 X-6.748Y4.000 Z6.277 F2000 X-6.713Z6.014 X-6.610Z5.769 X-6.446Z5.561 X-6.233Z5.402 X-5.986Z5.306 X-5.722Z5.277 X-5.460Z5.319 X-5.409Z5.335 X-5.335Z5.350 X-5.259Z5.358 X-5.184 X-5.073Z5.344 X-4.925Z5.307 X-4.776Z5.278 X-4.626Z5.261 X-4.522Z5.260
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X-4.520 X-4.440Z5.266 X-4.328Z5.286 F6000 Z6.286 F10000 Z7.991 X-4.145Y4.050 Z6.401 F2000 Z5.401 X-4.249Z5.357 X-4.339Z5.328 X-4.446Z5.308 X-4.521Z5.302 X-4.625Z5.303 X-4.775Z5.320 X-4.924Z5.349 X-5.072Z5.387 X-5.146Z5.397 X-5.220Z5.401 X-5.333Z5.392 X-5.408Z5.378 X-5.482Z5.356 X-5.569Z5.319 X-5.641Y4.075Z5.303 X-5.659Y4.092Z5.307 X-5.645Y4.100Z5.319 X-5.542Z5.372
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X-5.470Z5.398 X-5.358Z5.425 X-5.245Z5.437 X-5.170Z5.436 X-5.097Z5.428 X-5.023Z5.413 X-4.876Z5.376 X-4.724Z5.349 X-4.623Z5.340 X-4.524Z5.339 X-4.451Z5.344 X-4.349Z5.364 X-4.264Z5.392 X-4.162Z5.435 X-3.880Z5.585 F6000 Z6.585 F10000 Z8.519 X0.511Y4.150 Z7.012 F2000 X0.476Z6.749 X0.372Z6.504 X0.208Z6.295 X-0.006Z6.137 X-0.254Z6.040 X-0.518Z6.013 X-0.781Z6.056
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X-0.856Z6.079 X-1.000Z6.123 X-1.146Z6.161 X-1.293Z6.195 X-1.552Z6.244 X-1.740Z6.265 X-1.891Z6.276 X-1.966Z6.278 X-2.042Z6.279 X-2.193Z6.275 X-2.344Z6.261 X-2.494Z6.238 X-2.643Z6.207 X-2.790Z6.166 X-2.933Z6.117 X-3.076Z6.059 X-3.215Z5.996 X-3.351Z5.926 X-3.617Z5.778 X-3.878Z5.626 X-4.008Z5.555 X-4.177Z5.465 X-4.277Z5.423 X-4.357Z5.396 X-4.457Z5.376 X-4.525Z5.371 X-4.622Z5.372 X-4.723Z5.382 X-4.872Z5.408
16
X-5.019Z5.445 X-5.093Z5.460 X-5.204Z5.469 X-5.280Z5.467 X-5.393Z5.452 X-5.504Z5.421 X-5.613Z5.374 X-5.703Z5.320 X-5.735Y4.158Z5.305 X-5.759Y4.175Z5.299 X-5.768Y4.192Z5.304 X-5.752Y4.200Z5.319 X-5.711Z5.349 X-5.643Z5.390 X-5.536Z5.439 X-5.426Z5.473 X-5.351Z5.488 X-5.276Z5.496 X-5.200Z5.497 X-5.089Z5.488 X-5.015Z5.473 X-4.868Z5.436 X-4.719Z5.409 X-4.622Z5.401 X-4.528Z5.399 X-4.462Z5.405 X-4.367Z5.423 X-4.289Z5.449 X-4.191Z5.491
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X-4.035Z5.575 X-3.905Z5.645 X-3.644Z5.797 X-3.380Z5.946 X-3.246Z6.016 X-3.109Z6.080 X-2.967Z6.140 X-2.751Z6.213 X-2.603Z6.252 X-2.378Z6.292 X-2.227Z6.307 X-2.076Z6.314 X-1.925Z6.313 X-1.774Z6.304 X-1.512Z6.276 X-1.327Z6.243 X-1.180Z6.211 X-1.033Z6.174 X-0.601Z6.045 X-0.275Z5.932 F6000 X-0.009Z5.879 X0.261Z5.899 X0.517Z5.991 X0.738Z6.148 X0.908Z6.359 X1.016Z6.608 X-18.518Z3.685 X-18.591Z3.662
18
X-18.661Z3.634 X-18.731Z3.600 X-18.797Z3.562 X-18.863Z3.516 X-18.923Z3.467 X-18.966Z3.426 F6000 X-19.175Z3.275 X-19.416Z3.183 X-19.672Z3.155 X-19.927Z3.193 X-20.163Z3.296 X-20.366Z3.455 X-20.521Z3.661 X-20.618Z3.899 X-20.651Z4.155 F10000 Z100.000 M09 M05 M09 FFWOF M30
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第 3 章 具体操作步骤
3.1 先开机床
接同通 CNC 和机床电源,系统启动后进入“加工”操作区 JOG 运行方式 检查机床 开
启后发现机床会出现报警信号,这时,需按下 K1,使机床加上驱动力。 这时才能正常操作
机床。
3.2 回参考点
回参考点只能在 JOG 的方式下运行。用机床控制面板上“回参考点键”启 动回参考点。
在“回参考点”窗口中显示该坐标轴是否必须回参考点:如出现 “〇”,则说明未回参考点,
如出现?,则说明已回参考点,按下坐标方向键 (正方向键),把每坐标都回参考点,通过
选择另一方式如 MDA 来结束回参考点。 AUTO 或 JOG
3.3 参数设定
在 CNC 进行工作前,必须对一些参数进行设定,对机床和刀具进行调整: (1)(输入刀具参数及刀具补偿参数 (2)(输入/修改零点偏置 (3)(输入设定数值 刀具参数包括刀具几何参数,磨损量参数、刀具量参数和刀具型号参数等。 有些参数如 R 参数则一般不需修改
3.4 装夹工件
按照前面指定的装夹方式装夹工件
3.5 对刀
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把每一把刀具都调到自己设定的编程零点,把编程零点所在机床坐标值输 入机床中
3.6 输入程序
把自己编的程序输入机床定一个名字,对程序进行检查,确保程序本身没 有错误以及也没有输入错误。
3.7 模拟仿真
按下 MDA 键,按扩展键,再按编程仿真进入仿真系统,对程序进行仿真, 检查仿真出的工件图形与要加工的工件有多大出入,并不断对程序进行修改, 直到仿真的工件完全正确为止。
3.8 实际加工
退出仿真系统,先按复位键,刚开始时可进行单步加工,按下步加工键。 这时要一手按启动键,一手按停止键,如发现异常情况应立即停止。直到确定 程序无误后方可按自动加工键,加工完成后,最后取下工件。 加工完成
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设 计 小 结
通过本课题的设计,我对数控加工的整个过程有了较全面的理解。经过设 计中选择刀具,我对数控工具系统的特点和数控机床的刀具材料和使用范围有 了较深刻的了解,基本掌握数控机床刀具的选用方法;经过设计加工工艺方案, 进一步了解工件定位的基本原理、定位方式与定位元件及数控机床用夹具的种 类与特点,对教材中有关定位基准的选择原则与数控加工夹具的选择方法有了 更深的理解;经过编制零件的加工程序,基本熟悉数控编程的主要内容及步骤、 编程的种类、程序的结构与格式,对数控编程前数学处理的内容、基点坐标、 辅助程序段的数值计算有了进一步的认识。另外,我外还学会了利用 Pro/E 软 件和 MS 软体辅助对零件进行进行造型、加工轨迹生成、后置处理及加工程序向 机床输入加工等许多技术和方法。工艺设计、数值计算及程序编制的整个过程 虽然任务比较繁重,但在设计过程中通过自己不断的学习,尤其是自主学习, 和实践以及实验,我克服了许多的难题,这种成就感使感到十分的喜悦和兴奋。 通过本设计的实践,我真切体会到理论与生产实践相结合。教材中学到许 多知识在实践中得到了印证,但在具体操作中也出现了一些意想不到的问题, 在工艺方案确定后,加工程序也经过多次调整、修改才最终完成了零件的加工。 看到自己加工出的合格的零件,我对我自己和我所学的专业更加充满了信心。 经过一个多月的努力,我的毕业设计终于完成,一个多月的专心设计对我 来说有着很大的收获,我学到了很多,我学会了如何与同学、老师的沟通,学 会了与同学配合完成任务,学会了如何利用图书、网络搜集信息等等。
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致
谢
在本文完成之际,衷心的感谢老师,本毕业设计工作自始至终是在导师的 细心指导下完成的,他付出了极大的精力和心血,给予了精心的指导,热情的 鼓励和无私的帮助。苑成友
老师既有丰富的理论知识,又在实践中积累了大量 的经验,并有敏锐的,超前的学术意识,及忘我的工作态度。所有这些都使我 受益终生,并激励我在未来的工作,学习和生活中,时刻保持勤奋刻苦的工作 态度,求实创新的敬业精神。 感谢所有在学习期间给予我关怀,鼓励,理解和支持的老师同学和朋友们。 即将毕业的我们,在以后的工作中难免会遇到一些问题或麻烦,如机器损坏后 零件老化等一系列问题是,这时就要靠自己从前积累的经验去解决它。随着科 学技术的高度的发达,一些质量优,性能好,效率高,能耗低,价格廉的产品 将开发出来并淘汰那些老的生产计术或设备。因此,我们应该树立良好的设计 思想,重视对自己进行机械设计能力的培养,树立知识经济意识;善于利用各 种信息资源,扩展知识面和能力;培养严谨,科学,创新与创业,艰苦奋斗的 企业精神,加强环境保护意识,做到清洁生产和文明生产,以最大限度的获得 企业效益和社会效益。 所以,在以后的工作中,继续学习和加深。在此我非常感谢老师再设计过 程中对我的指导和帮助,在此向苑老师致以诚挚的谢意~
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参考文献
【1】 查韬 黄加福 贾东永,Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 产品设计.第 1 版. 清华大学出版社,2009.6 【2】 黄大贵,微机数控系统.第 1 版.电子科技出版社,2009 【3】 韩鸿鸾,基础数控技术.第 1 版.机械工业出版社,2005
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基
基于单片机的瓦斯报警系统
【摘要】我国当前煤炭能源的开采和利用一直占到重要地位,在相当长时期内仍将是我国的主要能源。当前,在煤炭开采过程中,多种灾害事故时有发生;在特大事故中绝大多数是由于瓦斯爆炸,约占特大事故总数的70%左右。出于预防并且减少事故的发生这一目的,煤矿瓦斯检测系统对瓦斯开采进行监测预警,以确保煤矿的安全生产。
人们普遍认为,煤矿企业属于高危险行业,发生事故是必然的,不发生事故是偶然的。如果我们在工作中处处按照标准、规程作业,把事故降低到最低甚至是实现零事故。实践中,人们利用火花实验装置,通过实验确定对不同危险类别气体的电能量限制参数。国际标准或中国国家标准中给出的常用电能量引爆曲线有电压电流引爆曲线、电压电容引爆曲线和电流电感引爆曲线等。根据这些曲线,再参考1.5倍的保险系数,人们便可以确定在涉及某类气体时,对指定回路的点能量限制参数。例如,涉及??C类气体(如氢气)时,对标准24VDC供电的回路(如变送器,电气转换器,电磁阀等)通常设定限压值为28V。依此限压值查电压电流引爆曲线,并考虑1.5倍的保险系数,可确定此时的限流值,可确定此时的限流值应为119mA。依28V限压值并考虑1.5倍的保险系数后查电压电容引爆曲线,可确定回路电容值应限制在0.13uF。依119m限流值并考虑1.5倍的保险系数后查电流电感引爆曲线,可确定回路电感值应限制在2.55mH。基于51系列单片机的瓦斯浓度监测系统,可以设置瓦斯浓度上限,当浓度超过上限蜂鸣器报警,达到预防事故的目的;还添加了时间显示的功能,时间参数可调。 【关键词】瓦斯检测;煤矿;报警
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目录
一、需求分析
(一)目前煤矿产业的发展概况……………………………….. 3 (二)瓦斯介绍………………………………………………….. 3 (三)瓦斯监测的重要意义…………………………………….. 4 二、系统的硬件设计与实现
(一)系统总体设计…………………………………………….. 5 (二)模块划分………………………………………………….. 5
(三)模块之间的关系………………………………………….. 6
三、主要模块硬件设计
(一)单片机部分的设计………………………………………. 6 (二)液晶电路部分的设计……………………………………. 9 (三)A,D部分的设计………………………………………..10 (四)时钟模块部分的设计…………………………………… 12 (五)按键部分的设计………………………………………… 13 (六)蜂鸣器部分的设计……………………………………… 14 (七)串口部分的设计………………………………………… 14 四、系统的软件设计
(一)主程序流程图…………………………………………... 15 (二)液晶模块流程图………………………………………... 15 (三)时钟模块流程图…………………………………………16 结束语……………………………………………………………17 参考文献…………………………………………………………17
致谢………………………………………………………………18
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----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 一、 需求分析
(一)目前煤矿产业的发展概况
我国瓦斯产业发展现状,2007年,全国瓦斯抽取采47.35 亿立方米,利用 14.46亿立方米。其中井下煤矿瓦斯抽采量 44亿立方米,完成规划目标的127%。形成地面煤层气产量3.3亿立方米,比2006年增加1 倍多。2005~2007年,全国共钻井约1700口,占历年累计钻井总数的85% 。截至2007 年底,国内探明煤层气地质储量 1340亿立方米,煤层气年商业产量不足4亿立方米。根据《煤层气 (煤矿瓦斯) 开发利用“十一五”规划》,到 2010 年,新增煤层气探明地质储量3000 亿立方米;煤层气、煤矿瓦斯抽采量100 亿立方米;建设煤层气输气管道10 条,设计总输气能力65 亿立方米;重点建设沁水盆地、鄂尔多斯盆地东源两大煤层气产业化基地。 (二)瓦斯介绍
瓦斯主要成分为甲烷,也称沼气(CH4),还有二氧化碳(CO2)、氮(N2)。此外还有少量的硫化氢(H2S)、氢(H2)和一些重烃和稀有气体等。由于矿井瓦斯的主要成分和主要危害是沼气,因此,长期以来人们习惯上把沼气称为瓦斯。 沼气是无色、无味、无臭的气体。比空气轻,对空气的比重为0.544,故在井下巷道的上部、顶板冒落地点的顶部和独头上山的掘进工作面易于积聚沼气。沼气本身无毒性,但不能供呼吸。当空气中沼气浓度较高时,就会相对降低氧的含量,使人窒息。沼气不能助燃,但当它在空气中达到一定浓度时,遇火能燃烧或爆炸。在成煤过程中生成的沼气,经过漫长的地质年代,大部分已排放入大气,只有一小部分至今仍被保存在煤体或围岩中。煤层保持沼气量的多少,主要取决于煤及围岩的透气性、地质构造以及煤的埋藏深度,吸附性能及孔隙性等。沼气的含量随煤层不同变化很大,许多矿井沼气含量为1—2m3/t,但有些矿井高达250m3/t(m3/t指的是每采一吨煤释放出沼气的体积)。每采一吨煤需要的最小空气量(?),可按沼气平衡方程确定。i?+m3/t=0.01?公式(1.1)式中i指进风流中沼气浓度,用最小值;m3/t指
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----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 的是每采一吨煤释放出沼气的体积。因此,若i是0.2%,m3/t是1.5m3/t,则?大约是200m3/t;而一个长壁工作面生产250t/班,最大产量在60t/h时将需要风量约为3m3/t。若工作面的断面积为3m2,则工作面风流速度比较低,因此开采速度可能增加2,3倍。在许多非煤矿矿井也存在沼气,而且有些矿井还很多,因此它们被定为含瓦斯矿井。这种类别是由风流中可燃气体浓度达到0.25%或从地下岩石中排出气体的燃烧来划分的。另一方面,有些煤矿被定为无瓦斯矿井。矿井沼气不仅来自煤层本身,还可以来自底板和顶板岩层。只要风流速度适当,从底板涌出的沼气很快能和风流混合。而水平方向涌入巷道的沼气,在独头巷道很快能达到爆炸浓度,即使独头巷道深度小于lm和任何顶板凹坑都是特别危险的。
(三)瓦斯监测的重要意义
从每年的事故统计中来看,煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中,绝大多数是由于瓦斯爆炸,约占特大事故总数的70% 左右。我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井,其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国矿井总数的44% 。因此,预防、控制瓦斯爆炸事故,是实现煤矿安全生产的关键。瓦斯防治是煤矿安全工作中的重中之重,必须采取有利措施,有效防治瓦斯重大瓦斯事故的发生,以确保煤矿的安全生产。矿井瓦斯的爆炸必须具备以下3 个条件: ?瓦斯浓度。当空气中的瓦斯浓度达到5%~16% 时,就达到爆炸浓度,也称爆炸界限。在瓦斯浓度低于5% 时,由于参加化学反应的瓦斯较少,不能形成能量积聚,因此不会爆炸。浓度在5%~9.5% 时,瓦斯威力逐渐增强;在浓度为9.5% 时,因空气中的全部瓦斯和氧气都能参加反应,所以这时的爆炸威力最强。?一定的引火温度。点燃瓦斯所需的最低温度,称为引火温度。在空气中瓦斯的引火温度为650~750?。明火、煤炭自燃、电气火花、炽热的金属表面、爆破等都能引起瓦斯爆炸。?氧气的浓度。氧气的作用是助燃,当空气中的氧气浓度超过12% 时,瓦斯就能爆炸,这时最容易获得的条件,因为在正常通风风流中氧气的浓度通常大于20%。
瓦斯爆炸事故的防治是煤矿安全工作的一个系统工程,除了完善可靠地
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----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 安全设备和采取有效的措施外,还应加强安全管理和安全监督,重视员工安全意识的培养。在生产实践中,我们应不断的研究、探索,进行防范和治理,保证煤矿的安全生产。煤矿企业要加大瓦斯管理投入,拿出资金,进行瓦斯治理与监控及其他安全问题的探究,以寻求科学合理的防治措施,保障煤矿安全状况得到改善。另外瓦斯又是另外一种优良的资源,相信一定可以把目前单纯的瓦斯灾害防治逐步转化为瓦斯治理和开发利用相结合的产业体系。 二、 系统的硬件设计与实现
(一)系统总体设计
图 2—1 总体框图
(二)模块划分
1、电源模块
MAX756升压型DC-DC变换换器(3.3V/5V),是互补型金属氧化半导体递升的直流-直流转变调整者为小的低点输入电压或电池电力系统。其接受积极的输入电压0.7V而且将它转换成3.3V或5V比较高可选择的输出电压。
关键特性:
? 输入电压为0.7V
? 20mA的效率为87%
? 静态电流为60μA
? 20μA的关闭模式和LBI检波器
? 500kHz最大开关频率
? 温度误差?1.5%
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? 低电池最检波器 (LBI/LBO)
? 8-Pin SO封装
2、模数转换模块
A/D转换器将模拟信号转换成数字信号,成为模数转换器,采用TCL549,其内含系统时钟。
3、液晶模块
采用液晶12864模块,是128*64点阵液晶模块的点阵数简称。
4、时钟模块
采用DS1302串行时钟模块。
(三)模块之间的关系
单片机通过 A/D 采集电压信号,再通过软件判断电压的值来判断是否超过上限或低于上限。还要通过液晶把电压值、当前时间显示出来,通过键盘来调节时钟。
三、主要模块硬件设计
(一)单片机部分的设计
1、单片机部分;
单片机选用STC89C52。STC89C52的简介:STC89C52 是一种低能
耗,高性能的 CMOS8 位微处理器,内部有8K 字节的闪速 PEROM,
该芯片采用 ATMEL 公司高密度、非挥发性存储器工艺制成且与工业标
准的 MCS—51 系列的引脚及指示兼容,FLASH 系列存储器为快速擦写
存贮器。相对于MCS—51 系列芯片而言,其特点如下:
?可擦写1000 次
?全静态操作:0Hz~24MHz
?32 根可编程I/O 接口线
?内部RAM 为256 字节
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?三个16 位的定时/计数器
?6 个中断源
STC89C52 有40个引脚,32 个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2 个外中断口,3 个16 位可编程序时计数器,2 个全双工串行通信口,2 个读写口线,STC89C52 可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起,特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效的降低开发成本。
2、STC89C52 芯片的管脚、引线与功能
(1)引脚的介绍:
访问程序存储器控制信号:当信号为低电平时,对 ROM 的读操作限制在外部程序存储器;而当信号为高电平时,则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始,并可延至外部程序存储器。
ALE 地址锁存控制信号:在系统扩展时, ALE 用于控制把 P0 口输出低 8 位地址锁存起来,并可延至外部程序存储器。
(2)时钟电路的设计
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步
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----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地作。
时钟信号的产生:单片机内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚 XTAL1 ,其输出端为引脚 XTAL2 。而在芯片的外部,XTAL1 和XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激震荡器。
电容器 C1 和 C2 的作用是稳定频率和快速起振,电容值的范围在 5PF~30pF,典型值为 30pF。晶振的频率通常选择两种6MHz和12MHz。只要在单片机的XTAL1 和XTAL2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生脉冲信号。时钟振荡电路如图2.3 所示。
(3)复位电路设计
复位电路是使单片机的CPU 或系统中的其他部分处于某一确定的初始状态,并从这上状态开始工作。
图2—3 复位电路图
图2—4 时钟振荡电路
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(二) 液晶电路部分的设计
1、液晶12864介绍:
MS12864R 汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字和图形,内置
16点阵)、128 个字符(8×16点阵)及64×256 8192 个中文汉字(16×
点阵显示 RAM (GDRAM)。
主要技术参数和显示特性:
电源:VDD 3.3V ?+5V(内置升压电路,无需负压);
显示内容:128列×64行
显示颜色:黄绿
显示角度:6:00 钟直视
LCD 类型:STN
与MCU 接口:8 位或4 位并行/3 位串行
配置LED 背光
多种软件功能:光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等,
液晶电路图如下:
图2—5 液晶电路图
2、模块引脚说明
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表2—1 128×64Hz 引脚说明
引脚号 引脚名称 方向 功能说明
1 VSS _ 模块的电源地
2 VDD _ 模块的电源正端 3 V0 _ LCD 驱动电压输入端 4 RS(CS) H/L 并行的指令/数据选择信号;串行的片选信号 5 R/W_(SID) H/L 并行的读写选择信号;串行的数据口 6 E(CLK) H/L 并行的使能信号;串行的同步时钟 7 DB0 H/L 数据0
8 DB1 H/L 数据1
9 DB2 H/L 数据2
10 DB3 H/L 数据3
11 DB4 H/L 数据4
12 DB5 H/L 数据5
13 DB6 H/L 数据6
14 DB7 H/L 数据7
15 PSB H/L 并/串行接口选择;H—并行;L—串行 16 NC 空脚
17 /RET H/L 复位 低电平有效 18 NC _ 空脚
19 LED_A _ 背光源正极(LED+5V) 20 LED_K _ 背光灯负极(LED-0V) (三)A,D部分的设计
A/D选用 TCL549,TCL549 有片内系统时钟,该时钟与I/O CLOCK 是独立工作的,无需特殊的速度或相位相匹配。当CS 为高时,数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态,此时 I/O CLOCK 不起作用。这种CS 控制作用允许在同时使用多片TCL548、TCL549 时,共用I/O CLOCK,以减少多路(片)A/D 并用时的 I/O 控制端口。一组通常的控制时序为:
1、将CS 置低。内部电路在测得CS 下降沿后,再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后,然后确定这一变化,最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到 DATA OUT 端上。
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2、前四个 I/O CLOCK 周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D5、D4、D3),片上采样保持电路在第4个 I/O CLOCK 下降沿开始采样模拟输入。
3、接下来的3 个 I/O CLOCK 周期的下降沿移出6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。
4、最后,片上采样保持电路在第8个 I/O CLOCK 周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4 个周期,然后开始进行32 个内部时钟周期的A/D 装换。第8 个 I/O CLOCK 后,CS 必须为高,或 I/O CLOCK 保持低电平,这种状态需要维持36 个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果 CS 为低时 I/O CLOCK 上出现一个有效干扰脉冲,则微处理器/控制器将与器件的 I/O 时序失去同步;若 CS 为高时出现一次有效低电平,则将使引脚重新初始化,从而脱离原转换过程。
5、在36 个内部系统时钟周期结束之前,实施步骤?—?,可重新启动一次新的 A/D 转换,与此同时,正在进行的转换终止,此时的输出是前一次的转化结果而不是正在进行的转换结果。
6、若要在特定的时刻采样模拟信号,应使第8 个I/O CLOCK 时钟的下降沿与该时刻对应,因为芯片虽在第4 个 I/O CLOCK 时钟下降沿开始取样,却在第8 个 I/O CLOCK 的下降沿开始保存。A/D 部分电路图如下:
图2—6 A/D 部分电路图
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----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (四) 时钟模块部分的设计
1、时钟芯片选择 DS1302。DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态 RAM 。通过简的串行接口与单片机经行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过 AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线:? RES 复位 ? I/O 数据线 ? SCLK 串行时钟。时钟/ RAM 的读/写数据以一个字节或多大31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
2、DS1302 是由 DS1202 改进而来增加了一下的特性:双电源管脚用于主电源和备份电源供应,Vcc1 为可程涓流充电电源,附加七个字节存储器,它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。下面将主要的性能指标作一综合:
?实时时钟具有能计算2100 年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年地能力、还有闰年调整的能力。
? 31×8 位暂存数据存储 RAM。
?串行I/O 口方式使得管脚数量最少。
?宽范围工作电压 2.0 5.5V。
?工作电流2.0V时,小于300mA。
?读/写时钟或 RAM 数据时有两种传送方式:单字节传送和多字节传送字符组方式。
?8 脚 DIP 封装或可选的8 脚 SOIC 封装。
?与 TTL 兼容 Vcc=5V
?可选工业级温度范围-40+85
?与 DS1202 兼容
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3、在DS1202 基础上增加的特性:
?对 Vcc1 有可选的涓流充电能力。
?双电源管用于主电源和备份电源供应。
?备份电源管脚可由电池或大容量电容输入。
?附加的7 字节暂存存储器。
时钟模块部分电路如下:
图2—7 时钟模块部分电路 (五) 按键部分设计
按键有4 个,为独立键盘,分别接到单片机的 P2 ^ 3,P2 ^ 4,P2 ^ 4,
P2 ^ 5,电路图如下:
图2—8 按键部分电路图
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----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (六)蜂鸣器部分的设计
此部分电路的作用是当温度超过高限或低于低限时蜂鸣器报警。将蜂鸣器接在单片机的 P27 管脚,在 P27 是低电平时,蜂鸣器响。电路图如下:
图2—9 蜂鸣器部分电路
(七)串口部分的设计
串口芯片选择 Max232,它的作用是用来下载程序和上位机经行通信。电路图如下:
图2—10 串口部分电路图
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四、系统的软件设计
(一)程序流程图
(二) 主程序流程图
图3—1 主程序流程图 (三) 液晶模块流程图
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(四)时钟模块流程图
图3—3 DS1302 读时间程序流程图
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----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 结束语
该设计利用瓦斯监测系统监测出瓦斯浓度,通过 A/D 将模拟信号转化为数字信号,在液晶上显示出来,随时监测瓦斯的浓度,当浓度超过预设上限,蜂鸣器报警,从而达到预防事故的发生;设计中有4 个按键,可以调节瓦斯报警上限和现实时间参数。该设计主要是用 C 语言编写,程序通俗易懂,可移植性强,可以应用到很多领域。
参考文献:
1. 何立民,编,单片机应用系统设计系统配置与接口技术,北京:北京航空航天
大学出版社,2001;
2. 王晓明,编,电动机的单片机控制,北京:北京航空航天大学出版社,2002;
3. 高建国,高云等,8031 单片机在自动剪板机上的应用【j】,电脑学习,2002;
4. 曹国清等,数字电路与逻辑设计 中国矿业大学出版社 2003;
5. 何立民,MSC-51 系列单片机应用系统设计,北京航空航天大学出版社,1990;
6. 杨世成,信号放大电路,电子工业出版社,1995;
7. 李建民,单片机在温度控制系统中的应用,江汉大学学报,1996;
8. 潘其光,常用测温仪表技术问答,国防工业出版社,1995;
9. 何希才,虹敏,传感器应用接口电路,机械工业出版社,1997;
10. 王森,仪表使用数据手册,化学工业出版社,1988。
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致谢
三年的大学生活在这个季节即将结束,而我的人生将面临又一次征程。三年时光稍纵即逝,回想这短暂而又漫长的求学路,有过快乐、有过悲伤、有过欢喜、有过惆怅,但总的来说大学生活还是充实而又快乐的,大学就像步入半个社会,在这美丽舒适的校园里,原本天真幼稚的我如今已蜕变成一个成熟稳重的新时代青年。
即将走出大学校门的我们还是要接受严格的考核,毕业设计考核了3 年多学到的点点滴滴,是对我们知识应用的一次全面考核,也是对我们综合能力的一次中级训练,为以后从事论文的撰写和培养严谨的工作态度打下了坚实的基础。
本次设计能够顺利完成,首先我要感谢我的母校,还有母校的老师们孜孜不倦的教导,将我们领进了科学的殿堂,并且学会了很多前沿高端的技术,以致做出了今天的作品,在学习的过程中通过查资料和搜集有关的文献,培养了自学能力和动手能力。由原来的被动接受知识转化为主动的寻求知识,这可以说是学习方法上的一个很大的突破。不仅学到了只是更学到了如何做人、如何做事,这样在以后的生活中更能过做对社会对人民有意义的事,也跟能够展现出自己的价值。在设计即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,需要感谢很多的人,跨越了传统方式下的教与学的体制束缚,实现了理论与时间的相结合。
本设计在杨老师的悉心指导和严格要求下完成,为我提供了许多种种专业知识上的指导和创造性的建议,在此向指导老师和评委老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
最后祝愿指导老师与评委老师事业顺利,谢谢~
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范文三:机电系毕业设计
基于单片机的瓦斯报警系统
【摘要】我国当前煤炭能源的开采和利用一直占到重要地位,在相当长时
期内仍将是我国的主要能源。当前,在煤炭开采过程中,多种灾害事故时有
发生;在特大事故中绝大多数是由于瓦斯爆炸,约占特大事故总数的70%左
右。出于预防并且减少事故的发生这一目的,煤矿瓦斯检测系统对瓦斯开采
进行监测预警,以确保煤矿的安全生产。
人们普遍认为,煤矿企业属于高危险行业,发生事故是必然的,不发生
事故是偶然的。如果我们在工作中处处按照标准、规程作业,把事故降低到
最低甚至是实现零事故。实践中,人们利用火花实验装置,通过实验确定对
不同危险类别气体的电能量限制参数。国际标准或中国国家标准中给出的常
用电能量引爆曲线有电压电流引爆曲线、电压电容引爆曲线和电流电感引爆
曲线等。根据这些曲线,再参考1.5倍的保险系数,人们便可以确定在涉及
某类气体时,对指定回路的点能量限制参数。例如,涉及ⅠⅠC 类气体(如
氢气)时,对标准24VDC 供电的回路(如变送器,电气转换器,电磁阀等)
通常设定限压值为28V 。依此限压值查电压电流引爆曲线,并考虑1.5倍的
保险系数,可确定此时的限流值,可确定此时的限流值应为119mA 。依28V
限压值并考虑1.5倍的保险系数后查电压电容引爆曲线,可确定回路电容值
应限制在0.13uF 。依119m 限流值并考虑1.5倍的保险系数后查电流电感引
爆曲线,可确定回路电感值应限制在2.55mH 。基于51系列单片机的瓦斯浓
度监测系统,可以设置瓦斯浓度上限,当浓度超过上限蜂鸣器报警,达到预
防事故的目的;还添加了时间显示的功能,时间参数可调。
【关键词】瓦斯检测;煤矿;报警
目录
一、需求分析
(一)目前煤矿产业的发展概况……………………………….. 3
(二)瓦斯介绍………………………………………………….. 3
(三)瓦斯监测的重要意义…………………………………….. 4
二、系统的硬件设计与实现
(一)系统总体设计…………………………………………….. 5
(二)模块划分………………………………………………….. 5
(三)模块之间的关系………………………………………….. 6
三、主要模块硬件设计
(一)单片机部分的设计………………………………………. 6
(二)液晶电路部分的设计……………………………………. 9
(四)时钟模块部分的设计…………………………………… 12
(五)按键部分的设计………………………………………… 13
(六)蜂鸣器部分的设计……………………………………… 14
(七)串口部分的设计………………………………………… 14
四、系统的软件设计 (三)A /D 部分的设计………………………………………..10
(一)主程序流程图…………………………………………... 15
(二)液晶模块流程图………………………………………... 15
(三)时钟模块流程图…………………………………………16 参考文献…………………………………………………………17
结束语……………………………………………………………17 致谢………………………………………………………………18
一、 需求分析
(一)目前煤矿产业的发展概况
我国瓦斯产业发展现状,2007年,全国瓦斯抽取采47.35 亿立方米,利用 14.46亿立方米。其中井下煤矿瓦斯抽采量 44亿立方米,完成规划目标的127%。形成地面煤层气产量3.3亿立方米,比2006年增加1 倍多。2005~2007年,全国共钻井约1700口,占历年累计钻井总数的85% 。截至2007 年底,国内探明煤层气地质储量 1340亿立方米,煤层气年商业产量不足4亿立方米。根据《煤层气 (煤矿瓦斯) 开发利用“十一五”规划》,到 2010 年,新增煤层气探明地质储量3000 亿立方米;煤层气、煤矿瓦斯抽采量100 亿立方米;建设煤层气输气管道10 条,设计总输气能力65 亿立方米;重点建设沁水盆地、鄂尔多斯盆地东源两大煤层气产业化基地。
(二)瓦斯介绍
瓦斯主要成分为甲烷,也称沼气(CH4),还有二氧化碳(CO2)、氮(N2)。此外还有少量的硫化氢(H2S)、氢(H2)和一些重烃和稀有气体等。由于矿井瓦斯的主要成分和主要危害是沼气,因此,长期以来人们习惯上把沼气称为瓦斯。 沼气是无色、无味、无臭的气体。比空气轻,对空气的比重为0.544,故在井下巷道的上部、顶板冒落地点的顶部和独头上山的掘进工作面易于积聚沼气。沼气本身无毒性,但不能供呼吸。当空气中沼气浓度较高时,就会相对降低氧的含量,使人窒息。沼气不能助燃,但当它在空气中达到一定浓度时,遇火能燃烧或爆炸。在成煤过程中生成的沼气,经过漫长的地质年代,大部分已排放入大气,只有一小部分至今仍被保存在煤体或围岩中。煤层保持沼气量的多少,主要取决于煤及围岩的透气性、地质构造以及煤的埋藏深度,吸附性能及孔隙性等。沼气的含量随煤层不同变化很大,许多矿井沼气含量为1—2m3/t,但有些矿井高达250m3/t(m3/t指的是每采一吨煤释放出沼气的体积) 。每采一吨煤需要的最小空气量(№),可按沼气平衡方程确定。i№+m3/t=0.01№公式(1.1)式中i 指进风流中沼气浓度,用最小值;m3/t指
的是每采一吨煤释放出沼气的体积。因此,若i 是0.2%,m3/t是1.5m3/t,则№大约是200m3/t;而一个长壁工作面生产250t/班,最大产量在60t/h时将需要风量约为3m3/t。若工作面的断面积为3m2,则工作面风流速度比较低,因此开采速度可能增加2~3倍。在许多非煤矿矿井也存在沼气,而且有些矿井还很多,因此它们被定为含瓦斯矿井。这种类别是由风流中可燃气体浓度达到0.25%或从地下岩石中排出气体的燃烧来划分的。另一方面,有些煤矿被定为无瓦斯矿井。矿井沼气不仅来自煤层本身,还可以来自底板和顶板岩层。只要风流速度适当,从底板涌出的沼气很快能和风流混合。而水平方向涌入巷道的沼气,在独头巷道很快能达到爆炸浓度,即使独头巷道深度小于lm 和任何顶板凹坑都是特别危险的。
(三)瓦斯监测的重要意义
从每年的事故统计中来看,煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中,绝大多数是由于瓦斯爆炸,约占特大事故总数的70% 左右。我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井,其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国矿井总数的44% 。因此,预防、控制瓦斯爆炸事故,是实现煤矿安全生产的关键。瓦斯防治是煤矿安全工作中的重中之重,必须采取有利措施,有效防治瓦斯重大瓦斯事故的发生,以确保煤矿的安全生产。矿井瓦斯的爆炸必须具备以下3 个条件: ①瓦斯浓度。当空气中的瓦斯浓度达到5%~16% 时,就达到爆炸浓度,也称爆炸界限。在瓦斯浓度低于5% 时,由于参加化学反应的瓦斯较少,不能形成能量积聚,因此不会爆炸。浓度在5%~9.5% 时,瓦斯威力逐渐增强;在浓度为9.5% 时,因空气中的全部瓦斯和氧气都能参加反应,所以这时的爆炸威力最强。②一定的引火温度。点燃瓦斯所需的最低温度,称为引火温度。在空气中瓦斯的引火温度为650~750℃。明火、煤炭自燃、电气火花、炽热的金属表面、爆破等都能引起瓦斯爆炸。③氧气的浓度。氧气的作用是助燃,当空气中的氧气浓度超过12% 时,瓦斯就能爆炸,这时最容易获得的条件,因为在正常通风风流中氧气的浓度通常大于20%。
瓦斯爆炸事故的防治是煤矿安全工作的一个系统工程,除了完善可靠地
安全设备和采取有效的措施外,还应加强安全管理和安全监督,重视员工安全意识的培养。在生产实践中,我们应不断的研究、探索,进行防范和治理,保证煤矿的安全生产。煤矿企业要加大瓦斯管理投入,拿出资金,进行瓦斯治理与监控及其他安全问题的探究,以寻求科学合理的防治措施,保障煤矿安全状况得到改善。另外瓦斯又是另外一种优良的资源,相信一定可以把目前单纯的瓦斯灾害防治逐步转化为瓦斯治理和开发利用相结合的产业体系。
二、 系统的硬件设计与实现
(一)系统总体设计
图 2—1 总体框图
(二)模块划分
1、电源模块
MAX756升压型DC-DC 变换换器(3.3V/5V),是互补型金属氧化半导体递升的直流-直流转变调整者为小的低点输入电压或电池电力系统。其接受积极的输入电压0.7V 而且将它转换成3.3V 或5V 比较高可选择的输出电压。
关键特性:
? 输入电压为0.7V
? 20mA 的效率为87%
? 静态电流为60μA
? 20μA的关闭模式和LBI 检波器
? 500kHz 最大开关频率
? 温度误差±1.5%
? 低电池最检波器 (LBI/LBO)
? 8-Pin SO封装
2、模数转换模块
A/D转换器将模拟信号转换成数字信号,成为模数转换器,采用TCL549,其内含系统时钟。
3、液晶模块
采用液晶12864模块,是128*64点阵液晶模块的点阵数简称。
4、时钟模块
采用DS1302串行时钟模块。
(三)模块之间的关系
单片机通过 A/D 采集电压信号,再通过软件判断电压的值来判断是否超过上限或低于上限。还要通过液晶把电压值、当前时间显示出来,通过键盘来调节时钟。
三、主要模块硬件设计
(一)单片机部分的设计
1、单片机部分;
单片机选用STC89C52。STC89C52的简介:STC89C52 是一种低能耗,高性能的 CMOS8 位微处理器,内部有8K 字节的闪速 PEROM ,该芯片采用 ATMEL 公司高密度、非挥发性存储器工艺制成且与工业标准的 MCS —51 系列的引脚及指示兼容,FLASH 系列存储器为快速擦写存贮器。相对于MCS —51 系列芯片而言,其特点如下:
①可擦写1000 次
②全静态操作:0Hz~24MHz
③32 根可编程I/O 接口线
④内部RAM 为256 字节
⑤三个16 位的定时/计数器
⑥6 个中断源
STC89C52 有40个引脚,32 个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2 个外中断口,3 个16 位可编程序时计数器,2 个全双工串行通信口,2 个读写口线,STC89C52 可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起,特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效的降低开发成本。
2、STC89C52 芯片的管脚、引线与功能
(1)引脚的介绍:
访问程序存储器控制信号:当
读操作限制在外部程序存储器;而当信号为低电平时,对 ROM 的信号为高电平时,则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始,并可延至外部程序存储器。
ALE 地址锁存控制信号:在系统扩展时, ALE 用于控制把 P0 口输出低 8 位地址锁存起来,并可延至外部程序存储器。
(2)时钟电路的设计
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,而时序所研究的
是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步
时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地作。
时钟信号的产生:单片机内部有一个高增益反相放大器,其输入端
为芯片引脚 XTAL1 ,其输出端为引脚 XTAL2 。而在芯片的外部,XTAL1 和XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激震荡器。
电容器 C1 和 C2 的作用是稳定频率和快速起振,电容值的范围在 5PF~30pF,典型值为 30pF 。晶振的频率通常选择两种6MHz 和12MHz 。只要在单片机的XTAL1 和XTAL2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生脉冲信号。时钟振荡电路如图2.3 所示。
(3)复位电路设计
复位电路是使单片机的CPU 或系统中的其他部分处于某一确定的
初始状态,并从这上状态开始工作。
图2—3 复位电路图
图2—4 时钟振荡电路
(二) 液晶电路部分的设计
1、液晶12864介绍:
MS12864R 汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字和图形,内置
8192 个中文汉字(16×16点阵)、128 个字符(8×16点阵)及64×256 点阵显示 RAM (GDRAM)。
主要技术参数和显示特性:
电源:VDD 3.3V ?+5V(内置升压电路,无需负压);
显示内容:128列×64行
显示颜色:黄绿
显示角度:6:00 钟直视
LCD 类型:STN
与MCU 接口:8 位或4 位并行/3 位串行
配置LED 背光
多种软件功能:光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等,
液晶电路图如下:
图2—5 液晶电路图
2、模块引脚说明
(三)A /D 部分的设计
A/D选用 TCL549,TCL549 有片内系统时钟,该时钟与I/O
CLOCK 是独立工作的,无需特殊的速度或相位相匹配。当CS 为高时,数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态,此时 I/O CLOCK 不起作用。这种CS 控制作用允许在同时使用多片TCL548、TCL549 时,共用I/O CLOCK ,以减少多路(片)A/D 并用时的 I/O 控制端口。一组通常的控制时序为:
1、将CS 置低。内部电路在测得CS 下降沿后,再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后,然后确定这一变化,最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到 DATA OUT 端上。
2、前四个 I/O CLOCK 周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个
位(D5、D4、D3),片上采样保持电路在第4个 I/O CLOCK 下降沿开始采样模拟输入。
3、接下来的3 个 I/O CLOCK 周期的下降沿移出6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。
4、最后,片上采样保持电路在第8个 I/O CLOCK 周期的下降沿将
移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4 个周期,然后开始进行32 个内部时钟周期的A/D 装换。第8 个 I/O CLOCK 后,CS 必须为高,或 I/O CLOCK 保持低电平,这种状态需要维持36 个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果 CS 为低时 I/O CLOCK 上出现一个有效干扰脉冲,则微处理器/控制器将与器件的 I/O 时序失去同步;若 CS 为高时出现一次有效低电平,则将使引脚重新初始化,从而脱离原转换过程。
5、在36 个内部系统时钟周期结束之前,实施步骤⑴—⑷,可重新
启动一次新的 A/D 转换,与此同时,正在进行的转换终止,此时的输出是前一次的转化结果而不是正在进行的转换结果。
6、若要在特定的时刻采样模拟信号,应使第8 个I/O CLOCK 时钟
的下降沿与该时刻对应,因为芯片虽在第4 个 I/O CLOCK 时钟下降沿开始取样,却在第8 个 I/O CLOCK 的下降沿开始保存。A/D 部分电路图如下:
图2—6 A/D 部分电路图
(四) 时钟模块部分的设计
1、时钟芯片选择 DS1302。DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流
充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态 RAM 。通过简的串行接口与单片机经行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过 AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线:⑴ RES 复位 ⑵ I/O 数据线 ⑶ SCLK 串行时钟。时钟/ RAM 的读/写数据以一个字节或多大31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW 。
2、DS1302 是由 DS1202 改进而来增加了一下的特性:双电源管脚
用于主电源和备份电源供应,Vcc1 为可程涓流充电电源,附加七个字节存储器,它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。下面将主要的性能指标作一综合:
⑴实时时钟具有能计算2100 年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年地能力、还有闰年调整的能力。
⑵ 31×8 位暂存数据存储 RAM 。
⑶串行I/O 口方式使得管脚数量最少。
⑷宽范围工作电压 2.0 5.5V 。
⑸工作电流2.0V 时,小于300mA 。
⑹读/写时钟或 RAM 数据时有两种传送方式:单字节传送和多字节
传送字符组方式。
⑺8 脚 DIP 封装或可选的8 脚 SOIC 封装。
⑻与 TTL 兼容 Vcc=5V
⑼可选工业级温度范围-40+85
⑽与 DS1202 兼容
3、在DS1202 基础上增加的特性:
⑴对 Vcc1 有可选的涓流充电能力。
⑵双电源管用于主电源和备份电源供应。
⑶备份电源管脚可由电池或大容量电容输入。
⑷附加的7 字节暂存存储器。
时钟模块部分电路如下:
图2—7 时钟模块部分电路
(五) 按键部分设计
按键有4 个,为独立键盘,分别接到单片机的 P2 ^ 3,P2 ^ 4,P2 ^ 4,P2 ^ 5,电路图如下:
图2—8 按键部分电路图
(六)蜂鸣器部分的设计
此部分电路的作用是当温度超过高限或低于低限时蜂鸣器报警。将蜂鸣器接在单片机的 P27 管脚,在 P27 是低电平时,蜂鸣器响。电路图如下:
图2—9 蜂鸣器部分电路
(七) 串口部分的设计
串口芯片选择 Max232,它的作用是用来下载程序和上位机经行通信。电路图如下:
图2—10 串口部分电路图
四、系统的软件设计
(一)程序流程图
(二) 主程序流程图
图3—1 主程序流程图
(三) 液晶模块流程图
(四)时钟模块流程图
图3—3 DS1302 读时间程序流程图
结束语
该设计利用瓦斯监测系统监测出瓦斯浓度,通过 A/D 将模拟信号转化为数字信号,在液晶上显示出来,随时监测瓦斯的浓度,当浓度超过预设上限,蜂鸣器报警,从而达到预防事故的发生;设计中有4 个按键,可以调节瓦斯报警上限和现实时间参数。该设计主要是用 C 语言编写,程序通俗易懂,可移植性强,可以应用到很多领域。
参考文献:
1. 何立民,编,单片机应用系统设计系统配置与接口技术,北京:北京航空航天
大学出版社,2001;
2. 王晓明,编,电动机的单片机控制,北京:北京航空航天大学出版社,2002;
3. 高建国,高云等,8031 单片机在自动剪板机上的应用【j 】,电脑学习,2002;
4. 曹国清等,数字电路与逻辑设计 中国矿业大学出版社 2003;
5. 何立民,MSC-51 系列单片机应用系统设计,北京航空航天大学出版社,1990;
6. 杨世成,信号放大电路,电子工业出版社,1995;
7. 李建民,单片机在温度控制系统中的应用,江汉大学学报,1996;
8. 潘其光,常用测温仪表技术问答,国防工业出版社,1995;
9. 何希才,虹敏,传感器应用接口电路,机械工业出版社,1997;
10. 王森,仪表使用数据手册,化学工业出版社,1988。
致谢
三年的大学生活在这个季节即将结束,而我的人生将面临又一次征程。三年时光稍纵即逝,回想这短暂而又漫长的求学路,有过快乐、有过悲伤、有过欢喜、有过惆怅,但总的来说大学生活还是充实而又快乐的,大学就像步入半个社会,在这美丽舒适的校园里,原本天真幼稚的我如今已蜕变成一个成熟稳重的新时代青年。
即将走出大学校门的我们还是要接受严格的考核,毕业设计考核了3 年多学到的点点滴滴,是对我们知识应用的一次全面考核,也是对我们综合能力的一次中级训练,为以后从事论文的撰写和培养严谨的工作态度打下了坚实的基础。
本次设计能够顺利完成,首先我要感谢我的母校,还有母校的老师们孜孜不倦的教导,将我们领进了科学的殿堂,并且学会了很多前沿高端的技术,以致做出了今天的作品,在学习的过程中通过查资料和搜集有关的文献,培养了自学能力和动手能力。由原来的被动接受知识转化为主动的寻求知识,这可以说是学习方法上的一个很大的突破。不仅学到了只是更学到了如何做人、如何做事,这样在以后的生活中更能过做对社会对人民有意义的事,也跟能够展现出自己的价值。在设计即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,需要感谢很多的人,跨越了传统方式下的教与学的体制束缚,实现了理论与时间的相结合。
本设计在杨老师的悉心指导和严格要求下完成,为我提供了许多种种专业知识上的指导和创造性的建议,在此向指导老师和评委老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
最后祝愿指导老师与评委老师事业顺利,谢谢!
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【C125】S195柴油机体三面精镗组合机床总体设计及后主轴箱设计 【C126】S195柴油机体三面精镗组合机床总体设计及夹具设计 【C127】ZH1105柴油机气缸体三面攻螺纹组合机床设计 【C128】单工位双面卧式车方组合机床的整体设计 【C129】多工位小型组合机床总体设计
【C130】减速器箱体钻口面孔组合机床总体设计及主轴箱设计 【C131】立式组合机床设计
【C132】气缸体双工位专用钻床总体及夹具设计 【C133】双面卧式攻丝组合机床设计
【C134】台式车床车头箱孔系加工分配箱机构设计 【C135】台式车床车头箱孔系加工镗模设计
【C136】卧式单工位双面车方组合机车
【C137】箱体类零件知识库及工艺模板的研究含proe 【C138】钻孔组合机床设计
【C139】薄壁墙板零件的工艺分析、专用夹具设计,数控加工 【C140】刺辊座数控工艺、夹具、NC程序设计 【C141】MG132320-W型采煤左牵引部机壳的加工工艺规程及数控编程
【C142】MG250591-WD型采煤机右摇臂壳体的加工工艺规程及数控编程
【C143】SSCK20A数控车床主轴和箱体加工编程 【C144】传动器主要部件的数控加工
【C145】减速箱体零件的数控加工工艺
【C146】圆锥螺纹配合件工艺设计与加工
【C147】复杂轴类配合件加工及数控编程
【C148】小型零件数控加工工艺与编程设计
【C149】左联轴器零件的机械加工工规程及编程 【C150】异性轴2数控工艺分析与编程
【C151】模型A的数控工艺编程
【C152】汽轮机的高中压外缸加工及数控编程 【C153】法兰管件的数控加工
【C154】球头螺纹轴套的设计与加工
【C155】电织机导板零件数控加工工艺与工装设计 【C156】立轴的工艺系统设计
【C157】组合零件加工工艺、程序编制及仿真毕业设计 【C158】调节盘的数控车床编程与模拟仿
【C159】雷达控制箱盒体的数控加工
【C160】齿轮泵前盖的数控加工
范文五:机电系——毕业设计
河北科技学院
学生毕业设计(论文)
题目:机电一体化的发展趋势和实际应用
河北科技学院毕业设计(论文)
目 录
摘 要······························································································································Ⅲ 关键词····························································································································Ⅲ 1机电一体化发展历程及趋势··························································································1
1.1机电一体化的发展历程······························································································1
1.2机电一体化发展趋势··································································································1 2机电一体化的核心技术··································································································6
2.1机械本体技术············································································································6
2.2传感技术····················································································································6
2.3信息处理技术············································································································6
2.4驱动技术····················································································································6
2.5自动控制技术············································································································6 3典型的机电一体化产品·································································································7
3.1数控机床····················································································································7
3.1.1复合加工,新结构机床大量出现···········································································8
3.1.2数控机床的开放性和联网管理···············································································8
3.2计算机集成制造系统(CIMS) ·····················································································8
3.2.1 CIMS体系功能构成································································································9
3.2.2 CIMS体系分系统···································································································9
3.2.3 CIMS的递阶梯控制体系·······················································································10
3.3自动机与自动生产线································································································10
3.4机器人·····················································································································11
3.5汽车电子化产品········································································································12 4传感器的综述 ··············································································································13
4.1传感器·····················································································································13 5我国“机电一体化”面临的形势、任务以及其相应对策·············································16
5.1我国“机电一体化”面临的形式··············································································16 I
河北科技学院毕业设计(论文)
5.2我国“机电一体化”面临的任务·············································································17
5.3我国“机电一体化”需要的对策·············································································17
5.3.1加强统筹安排,协调发展计划·············································································17
5.3.2强化行业管理,发挥“协会”作用······································································17
5.3.3优化发展环境、增大支持力度··············································································18
5.3.4突出发展重点,兼顾“两个层次”········································································18 总结································································································································19 参考文献························································································································20 致谢································································································································21
II
河北科技学院毕业设计(论文)
摘 要
机电一体化是一种复合技术,是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物,是机电工业反战的必然趋势。“机电一体化”是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
机电一体化发展至今已成为一门有着自身体系的新型学科,并且伴随着科学技术的不断进步还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统,则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。迄今为止,世界各国都在大力推广机电一体化技术。在人们生活的各个领域已得到广泛的应用,并以蓬勃的生机向前发展,不仅深刻地影响着全球的科技、经济、社会和军事的发展,而且也深刻影响着机电一体化的发展趋势。
关键词:机电一体化;数控机床;自动控制;机器人;汽车电子化产品
III
河北科技学院毕业设计(论文)
1 机电一体化发展历程及趋势
随着电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了。但是直到出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,机电一体化技术才开始有了明显的进展,并引起了人们的广泛关注。
1.1 机电一体化的发展历程
“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。当时及70年代,人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。国内早期就将机电一体化技术与机械电子学并用,近年来机电一体化则更加流行。
80年代,信息技术崭露头角。微处理机的性能提高,为更高级的机电一体化产品所采用,典型的机电一体化产品有数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后,使机械——电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库,连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样,对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外,光学也进入了机电一体化,产生了“光机电一体化”的新领域。
进入90年代,通信技术进入了机电一体化,机器可以像机器人系统那样遥控和虚拟现实,多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用,有的在性能上更是多用途的,尤其是微传感器和执行器技术的发展,和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合,开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支,即“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟,但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后,机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展,稳步进入了21世纪。
简言之,机电一体化技术的发展历程可以概括为以下几点:
①数控机床的问世,写下了机电一体化历史的第一页;
②微电子技术为机电一体化带来勃勃生机;
③可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了坚强基础;
④激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。
1.2 机电一体化发展趋势
1
1 机电一体化发展历程及趋势
随着电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了。但是直到出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,机电一体化技术才开始有了明显的进展,并引起了人们的广泛关注。
1.1 机电一体化的发展历程
“机电一体化”这个词是日本安川电机公司在上世纪60年代末作商业注册时最先创用的。当时及70年代,人们一直把机电一体化看作是机械与电子的结合。国内早期就将机电一体化技术与机械电子学并用,近年来机电一体化则更加流行。
80年代,信息技术崭露头角。微处理机的性能提高,为更高级的机电一体化产品所采用,典型的机电一体化产品有数控机床、工业机器人和汽车的电子控制系统等。微机作为关键技术引入了飞行器系统后,使机械——电子系统在高度控制、排气控制、振动控制和保险气袋等方面获得广泛应用。信息技术驱使机械系统在不同程度上利用数据库,连洗衣机和其他消费品也用上了数据库驱动系统。这样,对机电一体化的系统设计方法的探索、成型和系统集成以及并行工程设计和控制的实施日显重要。此外,光学也进入了机电一体化,产生了“光机电一体化”的新领域。
进入90年代,通信技术进入了机电一体化,机器可以像机器人系统那样遥控和虚拟现实,多媒体等技术紧密联系的计算机控制的网络化机电一体化日益普及。有些机电一体化机械可两用,有的在性能上更是多用途的,尤其是微传感器和执行器技术的发展,和半导体技术以光刻为基础的方法以及和传统机电一体化微型化方法的结合,开创了以精密工程和系统集成为特点的机电一体化新分支,即“微机电一体化”。虽然微加工方法尚未成熟,但将逐渐成为集成控制系统的一个组成部分。之后,机电一体化随着自动化技术的发展而日益发展,稳步进入了21世纪。
简言之,机电一体化技术的发展历程可以概括为以下几点:
①数控机床的问世,写下了机电一体化历史的第一页;
②微电子技术为机电一体化带来勃勃生机;
③可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了坚强基础;
④激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。
1.2 机电一体化发展趋势
机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。机电一体化发展至今已经成为一门自成一体的新型学科, 随着科学技术的不断发展, 必将被赋一予新的内容。但其基本特征可概括为机电一体化是从系统的观点出发, 综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、汁算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术, 根据系统功能目标和优化组织目标, 合理配置与布局各功能单元, 在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值, 并使整个系统最终达到最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统, 就成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此, “ 机电一体化” 涵盖“ 技术” 和“ 产品” 两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术, 而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。
机械工程技术由纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械, 其主要功能依然是代替和放大的体现。但机电一体化的发展状况大体可以分为三个阶段。第一阶段称为初级阶段, 在这一时期,人们不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能,特别是在第二次世界大战期间,战争极大地刺激了机械产品与电子技术的结合,这些机电相结合的军用技术,战后转为民用,对战后经济的恢复起到了积极的作用。从当时研制和开发的总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平,机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展,已经开发的产品也无法大量推广使用。一方面, 光学、通信技术等进人了机电一体化,微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚, 出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法,机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时, 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究, 将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。使人们有更好的发展,给人类带来生活的方便。智能化是机电一体化的重要发展方向。人工智能在机电一体化建设的研究日益获得重视, 机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化” 是对机器行为的描述, 是在控制理论的基础上, 吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法, 模拟人类智能,使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力, 以求得到更高的控制目标。模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类
和生产厂家繁多, 研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元, 具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元,以及各种能完成典型操作的机械装置。这样,可利用标准单元迅速开发出新产品,同时也可以扩大生产规模这需要制定各项标准, 以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突, 近期很难制定国际或国内这方面的标准, 但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然,从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定,无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业,规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。
计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育、日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片, 企业间的竞争也将全球化。机电一体化新产品一旦研制出来, 只要其功能独到, 质量可靠, 很快就会畅销全球。由于网络的普及, 基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾, 而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此, 机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。微型化兴起于世纪年代末, 指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统, 泛指几何尺寸不超过的机电一体化产品,并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术, 微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术, 它包括光刻技术和蚀刻技术两类。绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面, 物质丰富, 生活舒适另一方面, 资源减少, 生态环境受到严重污染。于是, 人们呼吁保护环境资源, 回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生, 绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求, 对生态环境无害或危害极少, 资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品, 具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境, 报废后能回收利用。人们大量倡导绿化工业能够给人们带来的美好的生活,良好的生活品质。
系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态, 进行任意剪裁和组合,同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强,一般除外, 还有、人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系,机电一体化的人格化。
因此,机电一体化的主要发展方向如下:
①光机电一体化
一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统。光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。 ②数字化
微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础,如不断发展的数控机床和机器人;而计算机网络的迅速崛起,为数字化设计与制造铺平了道路,如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 ③全息系统化——智能化
即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展,为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。今后的机电一体化产品“全息”特征将越来越明显,智能化水平也越来越高。这主要得益于模糊技术、信息技术尤其是软件及芯片技术的发展。除此之外,其系统的层次结构也由简单的“从上到下”的形势转而变为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
④“生物一软件”化——仿生物系统化
今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大,并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定,但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物,即当控制系统(大脑)停止工作时,生物便“死亡”,而当控制系统(大脑)工作时,生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体,但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物——软件”或“生物——系统”,而生物的特点是硬件(肌体)与软件(大脑)一体,不可分割。由此看来,机电一体化产品虽然有向生物系统化发展的趋势,但要达到这一目的还需要有一段漫长的道路去走。
⑤微型机电化——微型化 微型化是精细加工技术发展的必然,也是提高效率的需要。微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems,简称MEMS)是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针,1988年美国加州大学
Berkeley分校研制出第一个微电机以来,国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展,开发出各种MEMS器件和系统,如各种微型传感器(压力传感器、微加速度计、微触觉传感器),各种微构件(微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等)。目前,利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术,在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当我们将这一成果用于实际产品时,就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”,机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起,体积很小,并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。
⑥模块化
由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元;具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样,在产品开发设计时,可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。
⑦网络化
由于网络的普及,基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品,现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能,利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统,使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处,因此,机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。给人们带来无穷的知识和方便。
⑧集成化
集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合,又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率,应使系统具有更广泛的柔性。
⑨带源化
是指机电一体化产品自身带有能源,如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。
⑩绿色化
科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化,在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以,人们呼唤保护环境,回归自然,实现可持续发展,绿色产
品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而
可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求,机
电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境,产品寿命结束时,产品可
分解和再生利用。
2 机电一体化的核心技术
2.1 机械本体技术
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般
都是以钢铁材料为主,为了减轻质量除了在结构上加以改进。还应考虑利用非金属复合
材料。只有机械本体减轻了重量,才有可能实现驱动系统的小型化,进而在控制方面改
善快速响应特性,减少能量消耗,提高效率。
2.2 传感技术
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面,提高可靠性与防干扰有着
直接的关系。为了避免电干扰,目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器
来说,目前主要发展非接触型检测技术。
2.3 信息处理技术
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备(特别是微型计算机)的普及应用
紧密相连。为进一步发展机电一体化,必须提高信息处理设备的可靠性,包括模/数转
换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性。进而提高处理速度,并解决抗干扰及
标准化问题。
2.4 驱动技术
电机作为驱动机构已被广泛采用,但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目
前,正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件——传感器——电机三位一
体的伺服驱动单元。
2.5 自动控制技术
自动控制技术范围很广,在控制理论指导下进行系统设计,设计后的系统仿真,现场
调试,控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、
再现、检索等。
3 典型的机电一体化产品
机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有:
数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD/CAM
系统等。典型的机电一体化基础元、部件有:电力电子器件及装置、可编程序控制器、
模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。
3.1 数控机床
目前我国是全世界机床拥有量最多的国家(近320万台),但数控机床只占约5%且
大多数是普通数控(发达国家数控机床占10%)
数控机床及相应的数控技术经过40年的发展,在结构、功能、操作和控制精度上都
有迅速提高,具体表现在:
总线式、模块化、紧凑型的结构,即采用多CPU、多主总线的体系结构。开放性设计,
即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准,能最大限度地提高用
户的使用效益。
WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动
态仿真,并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
大容量存储器的应用和软件的模块化设计,不仅丰富了数控功能,同时也加强了CNC
系统的控制功能。
能实现多过程、多通道控制,即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多
台和多种机床的能力,并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
系统的多级网络功能,加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。以单板、单片
机作为控制机,加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
近些年数控机床为适应加工技术的发展,在以下几个技术领域都有巨大进步:
①高速化。由于高速加工技术普及,机床普遍提高了各方面的速度。车床主轴转速
有3000~4000r/min提高到8000~10000r/min;铣床和加工中心主轴转速由4000~
8000r/min提高到12000~40000r/min以上;快速移动速度由过去的10~20m/min提高
到48m/min,60m/min;,80m/min,120m/min;在提高速度的同时要求提高运动部件起动
的加速度,由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5G~2G,最高可达15G;直
线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用内装式主轴电机。
②高精度化。数控机床的定位精度已由一般的0.01~0.02mm提高到0.008mm左右;亚微米级机床达到0.0005mm左右;纳米级机床达到0.005~0.01um;最小分辨率为1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已问世。数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1u的圆度,插补前多程序预读,大大提高了插补质量,并可进行自动拐角处理等。
③复合加工,新结构机床大量出现。如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类异形零件。同时派生出各种新颖的机床结构,包括6轴虚拟轴机床,串并联绞链机床等,采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求
④使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。如内冷转头由于使高压冷却液直接冷却转头切削刃和排除切屑,在转深孔时大大提高效率。加工刚件切削速度能达1000m/min,加工铝件能达5000m/min。
⑤数控机床的开放性和联网管理。数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。
3.1.1 复合加工,新结构机床大量出现
如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类型零件。同时派生出各种新颖的机床机构,包括6轴虚拟轴机床,串并联铰链机床等,采用特俗机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。
3.1.2 数控机床的开放性和联网管理
数控机床的开放性和联网管理已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床的开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等等新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。
3.2 计算机集成制造系统(CIMS)
CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合,而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线,以制造为基干来控制“物流”和“信息流”,实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化,各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
3.2.1 CIMS体系功能构成
CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式。它以计算机网络和数据库为基础,利用信息技术和现代管理技术将制造企业的经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集成起来,实现整个企业的信息集成,达到实现企业全局优化、提高企业综合效益和提高市场竞争能力的目的。因此,CIMS的组成包含三个要素,即人/机构、经营与技术。在三要素的相交部分需要解决四类集成问题:
①使用技术以支持经营;
②使用技术以支持人员工作和组织机构的运行;
③人员/机构设置协调工作以支持经营活动;
④统一管理实现经营、人员、技术的集成优化运行;
3.2.2 CIMS体系分系统
CIMS是由4个功能分系统以及2个支撑分系统等6个部分有机地集成起来的。 ①管理信息分系统(CIMS/MIS):它是CIMS的上层管理系统,它不仅需要根据厂情、国情和国际市场的需求信息作出生产决策、确定生产计划和估算产品成本和生产效益,而且需要做出物料、能源、设备、人员的计划安排,保证生产的正常运行。CIMS/MIS 的基本结构。
②工程设计集成分系统(CIMS/EDIS):此分系统的目标是使产品开发活动能够高效、优质、自动地进行。它在CIMS系统信息流程中的位置。
③制造自动化分系统(CIMS/MAS):该分系统的目标是使产品制造活动最优化。在CIMS环境中: MAS分系统运行过程的本质是产品的物化(形成) 过程MAS中的数据是连接产品设计、生产过程控制和实际产品加工制造之间的桥梁,即CIMS中的产品设计方案和工艺规划等工程信息是通过MAS 信息转换为实际产品的。
④计算机辅助质量保证分系统(CIMS/CAQ):这是一个保证产品质量的全企业范围内系统。该分系统的目标是保证从产品设计、制造、检验到售后服务整个过程的质量。CIMS/CAQ的组织结构分为规划层、管理层和执行层。
⑤数据管理分系统(CIMS/DBS):该分系统的目标是管理整个CIMS的数据,实现数据集成和共享。CIMS环境下的4个功能分系统的信息数据都要在一个结构合理的数据库系统中进行存贮,并通过计算机网络提供的系统互通能力,将不同分系统中的数据联系起来,达到信息交换和共享的目的。
⑥网络分系统(CIMS/DBS):该分系统的目标是传递CIMS各个分系统之间和内部的信息,实现CIMS的数据传递和系统通信功能。只有通过计算机网络系统,才能完成动态控制和管理的各功能分系统的互联,实现信息传输和交流,使互联系统共享工程资源,数据库和存贮空间。
3.2.3 CIMS的递阶梯控制体系
由于CIMS的功能和控制要求十分复杂,采用常规控制系统很难实现。前美国国家标准局提出了著名的五级递阶梯控制模型,这五级分别是:工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。
①工厂层控制系统 这是最高一级控制,履行“厂部”职能。完成的功能包括市场预测、制定生产计划、确定生产资源需求、制定资源规划、制定产品开发及工艺过程规划、厂级经营管理。
②车间层控制系统 这一层控制系统主要根据工厂层生产计划,负责协调车间的生产和辅助性工作以及这些工作的资源配制,车间层控制主要有两个模块:作业管理、资源分配。
③单元层控制系统。这一层控制系统安排零件通过工作站的分批顺序和管理物料贮运、检验及其它有关辅助性工作。具体工作内容是完成任务分解、资源需求分析。
④工作站层控制系统。这一层主要负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动。一个典型的加工工作站由一台机器人、一台机床、一个物料贮运器和一台控制计算机组成,它负责处理由物料贮运系统送来的零件托盘,工件调整控制、工件夹紧、切削加工、切屑清除、加工检验、拆卸工件以及清理工作等设备级各子系统。
⑤设备控制系统。这一层是“前沿”系统,是各种设备的控制器。采用这种设备控 制装置,是为了扩大现有设备的功能,并使它们符合标准部门规定的控制和检测计量方法。
3.3 自动机与自动生产线
在国民经济生产和生活中广泛使用的各种自动机械、自动生产线及各种自动化设备,是当前机电一体化技术应用的又一具体体现。如:2000~80000瓶/h的啤酒自动生产线;18000~120000瓶/h的易拉罐灌装生产线;各种高速香烟生产线;各种印刷包装生产线;邮政信函自动分捡处理生产线;易拉罐自动生产线;FEBOPP型三层共挤双向拉伸聚丙烯薄膜生产线等等,这些自动机或生产线中广泛应用了现代电子技术与传感技术。如可编程序控制器,变频调速器,人机界面控制装置与光电控制系统等。我国的自
动机与生产线产品的水平,比10多年前跃升了一大步,其技术水平已达到或超过发达国家上一世纪80年代后期的水平。使用这些自动机和生产线的企业越来越多,对维护和管理这些设备的相关人员的需求也越来越多。
3.4 机器人
机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用,而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑,21世纪机器人技术必将得到更大的发展,成为各国必争之知识经济至高点。
在计算机技术和人工智能科学发展的基础上,产生了智能机器人的概念。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器,是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息,自主地完成较为复杂的操作任务,比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。智能机器人作为新一代生产和服务工具,在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置,如核工业、水下、空间、农业、工程机械(地上和地下)、建筑、医用、救灾、排险、军事、服务、娱乐等方面,可代替人完成各种工作。同时,智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备,完全可以进入网络世界,发挥更多、更大的作用,这对人类开辟新的产业,提高生产水平与生活水平具有十分现实的意义。
因此,面向先进制造的工业机器人和面向非制造业的先进机器人的研究、开发和应用将成为21世纪智能机器人的两个重要发展方向。
目前,围绕未来的机器人需要研究开发如下一些关键技术:
①网络机器人技术。通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。
②虚拟机器人技术。许多特种机器人在使用时,遥控是一个主要手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、增强现实(或临场感)的虚拟遥控操作和人机交互,将成为需要共同发展的一项技术。
③多智能体协调控制技术。用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术,这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理、多智能体协调等。
④微型和微小型技术。这是一项由技术驱动的新领域,尽管微型/小型尺寸的机器人实用化还要等几年,但是这个时代即将到来。
⑤软机器人技术。许多特种机器人,特别是用于医疗和护理、休闲和娱乐等场合时,经常处于与人共存的环境中。现在的大多数机器人,由于在设计时未考虑与人共存,用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其结构和相应的控制以及所用的传感器,在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是“ 软”的,增强人对机器人的安全感和亲近感。新型机构、新型控制器、新型传感器及体系结构的研究。
3.5 汽车电子化产品
汽车上比较常用的一般有5种仪表和3种相应的传感器,即电流表、机油压力表、水温表、燃油表、车速里程表等指示仪表和机油压力传感器、水温传感器和油量传感器。
目前,电子化仪表已经取代机械式仪表。这是由于机械式仪表一旦出现故障将很难处理,而电子化仪表则不同。采用电子化仪表不仅可以改进驾驶员的目视性,还有助于汽车仪表的多样化。其总的发展趋势有以下几点:
①仪表电子化。传统仪表一般是电机式模拟仪表,只能为驾驶员提供运行中必要而少量的数据信息,已经远远不能满足现代汽车新技术、高速度的要求。汽车仪表的功能已不仅仅是单纯的指示,而是通过对汽车各部件参数的监测和微处理机配套,达到控制汽车各种运行工况的目的。
随着现代电子技术的发展,多功能高精度、高灵敏度、读数直观的电子数字显示的仪表已经不断地在汽车上得到应用。因此,汽车电子化仪表将逐步取代常规的机械式仪表。其特点是:电子化仪表能提供大量复杂的信息;满足小型、轻量化要求;具有高精度和高可靠性;一表多用;外形设计自由度高。
基于以上优点,汽车将会越来越多地装用各种用途的电子仪表。造型新颖别致和功能强大的电子化仪表,将是今后车用仪表的发展趋势和潮流。
②仪表指示形式将演变成计算机终端显示器。未来的汽车仪表发展趋势,就是充分应用光技术和机电一体化技术,并突出现代信息技术和网络技术的应用,仪表的形式将发生根本改变,指示形式将演变成一个高清晰度的计算机显示器。
③仪表功能拓宽。未来汽车仪表的功能将不再局限于现在的车速、历程、发动机转速、油量、水温、方向灯指示,还有可能添加以下功能,即:带ECU(电子控制装置)的汽车仪表智能化;将防盗系统纳入汽车仪表ECU的监管之下。
④仪表将广泛应用于电光学技术。
4 传感器的综述
4.1 传感器
传感器:(广义)凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置;(狭义)只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。
传感器的总特性:主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹配、传感器的机械特性以及其工作特性。
静态特性:表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系,其指灵敏度、线性度、稳定度迟滞等。
动态特性:指输入随时间变化的特性,它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它取决于传感器本身,另外与被测量的形式有关。
如图1-1所示:传感器的组成:通常,传感器由敏感元件,传感元件和其他辅助件组成,又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。
图4-1-1传感器组成方块图
敏感元件:直接感受被测量(一般为非电量),并输出与被测量成确定关系的其他量(一般为电量)的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。
传感元件:又称变换器,它一般情况下不直接感受被测量,而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。
信号调节与辅助电路:能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。
传感器的简单分类:
① 按被测量分类(如表4-1-2所示)
② 按物理量的典型效应分类(如表4-1-3所示)
表4-1-2被测量分类
表4-1-3按物理量分类
③ 粱式力传感器
图4-1-4粱式力传感器 图4-1-5梁式受力图
如图4-1-5所示,等强度弹性元件的悬臂梁:梁的固定端宽度为b0,自由端宽度为b,梁长为L,梁厚为h。当集中力F作用在自由端时,距作用力任何距离x的截面上的
应力?相等。因此,沿着梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩M的变化成正比,即 ??M6FL??常数2Wb0h (4-1) 在等强度的设计中,往往采用矩形截面,保持截面厚度不变,只改变梁的宽度。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为x,bx为与x值相应的梁宽,则等强度梁各点的应变值为 ??
式中:E为传感器的弹性模量。
如果当电桥的供电电压为Ui时,其输出电压Uo为
Uo
带入上式消去?,可得 6Fx (4-2) bxh2E?Uik? (4-3)
6FxUo? ??2bxhEUik
整理可得: (4-4)
bxh2EF?Uo bUikx (4-5)
粱式力传感器弯曲悬臂梁结构,外形高度低,结构强度高。用于拉伸力或压缩力测量,抗偏、抗侧向力强;防尘密封,量程范围广,精度高,性能稳定可靠,安装使用方便;拉式或压式承载;适用于电子秤、衡器等各种测力/称重的工业自动化测量控制系统。
5 我国“机电一体化”面临的形势、任务以及其相应对策
机电一体化工作主要包括两个层次:一是用微电子技术改造传统产业,其目的是节能、节材,提高工效,提高产品质量,把传统工业的技术进步提高一步;二是开发自动化、数字化、智能化机电产品,促进产品的更新换代。
5.1 我国“机电一体化”面临的形式
我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广,有难度我国用机电一体化技术加速产品更新换代,提高市场占有率的呼声高,有压力。
我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低,耗能、耗水、耗材高,污染、扰民产品的责任重,有意义。在我国工业系统中,能耗、耗水大户,对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整,但由于多种原因,成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题,有企业的“故土难离”,“死守故业”问题,但不可否认也有优化不出理想的产业,优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前,这就是发展机电一体化,开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低,且具有柔性,可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革,而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时,可为传统的机械工业注入新鲜血液,带来新的活力,把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来,实现文明生产。
另外,从市场需求的角度看,由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长,差距较大,许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求,每年进口量都比较大,因此亟需发展。
5.2 我国“机电一体化”面临的任务
我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话:一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业;另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品,促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构调整作贡献。
总之,机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力,又是开启我国机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。
5.3 我国“机电一体化”需要的对策
5.3.1 加强统筹安排,协调发展计划
目前,我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套自己的发展策略。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制,难免只考虑局部利益,各主管部门的有关计划和规划,也有统一考虑不足,统筹安排不够的问题,同时缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。因此,建议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的基础上,制定出统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划,避免开发上重复,生产上撞车!
5.3.2 强化行业管理,发挥“协会”作用
目前,我国“机电一体化”较热,而按目前的行业划分方法和管理体制,“政出多门”是难哆的。因此,我国有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构,根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神,以及机电一体化行业特点,我们建议,尽快加强北京机电一体化协会的建设,赋予其行业管理职能。“协会”要进一步扩大领导机构——理事会的代表层面和复盖面,要加强办公室、秘书处的建设;要通过其精明干练的办事机构、经济实体,组织“行业”发展计划、战略规划的拟制;指导行业布点布局的调整,进行发展突破口的选择,抓好重点工程的试点和有关项目的发标、招标工作。
5.3.3 优化发展环境、增大支持力度
优化发展环境指通过宣传群众,造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电一体化”发展的氛围,如尽快为外商到我国投资发展“机电一体化”产业提供方便;尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯;尽力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。
增大支持力度,在技术政策上,要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的发展,对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰;大力提倡用机电一体化技术对传统产业进行改造,对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造,对有关技术开发、应用项目优先立项、优先支持,对在技术开发、应用中做出贡献的单位领导、科技人员进行表彰奖励等。
5.3.4 突出发展重点,兼顾“两个层次”
机电一体化产业复盖面非常广,而我们的财力、人力和物力是有限的,因此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙,而应分清主次,大胆取舍,有所为,有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作,即用电子信息技术对传统产业进行改造,在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子(计算机)装置,使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作,即在新产品设计之初,就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑,使“机械”与“电子”密不可分,深度结合,生产出来的新产品起码正做到机电一体化。
总 结
综上所述,机电一体化的出现不是孤立的,它是众多科学技术发展的结晶,是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革,使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低,且具有柔性,可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革,而无须改换设备。同时,可为传统的机械工业注入新鲜血液,带来新的活力,把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来,实现文明生产。
大力发展新一代机电一体化产品,不仅是改造传统机械设备的要求,而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。
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